Furnizarea eficientă a energiei de înaltă integritate pentru sarcini critice, cu un impact minim asupra spațiului de pe placă

Serverele de date mari, dar și aplicațiile precum învățarea automată, inteligența artificială (AI), celulele 5G, IoT și informatica pentru întreprinderi, necesită adesea ASIC-uri, FPGA-uri, GPU-uri și unități centrale de procesare puternice, care au nevoie de curenți mari la tensiuni scăzute și o densitate mare de putere cu amprente compacte. Pentru a asigura integritatea energetică generală a sistemului, se folosesc sisteme distribuite de gestionare a energiei care aduc sursele de alimentare c.c./c.c. direct la punctul de sarcină (POL), adică la procesoarele de înaltă performanță. Pot exista multe astfel de convertoare de putere c.c./c.c. pe o singură placă, astfel încât problema cu care se confruntă proiectanții este micșorarea acestor dispozitive cât mai mult posibil pentru a economisi spațiu pe placă. Totodată, acestea trebuie să îndeplinească cerințele de performanță, latență, temperatură, eficiență și fiabilitate, simplificând în același timp procesul de proiectare și menținând costurile la un nivel scăzut.

Soluția la această serie de probleme combină semiconductori de înaltă performanță și componente pasive folosind tehnologii avansate de ambalare pentru a atinge niveluri mai ridicate de integrare a sistemului. S-a demonstrat că acest lucru permite obținerea unor dimensiuni mai mici cu un profil mai scăzut în comparație cu alte tehnologii disponibile în prezent, îmbunătățind totodată managementul termic. În același timp, abordarea integrată asigură o limită pentru costurile de proiectare, inclusiv gestionarea stocurilor și timpul de dezvoltare.

Acest articol analizează necesitatea de utilizare a rețelelor de alimentare distribuite și rolul dispozitivelor de alimentare POL. Apoi, se prezintă o clasă de convertoare POL c.c./c.c. de la TDK Corporation care utilizează tehnici avansate de ambalare pentru a obține caracteristicile de performanță necesare. În plus, articolul prezintă atributele principale ale acestora și arată modul în care proiectanții le pot implementa pentru a îndeplini cu succes cerințele de furnizare a energiei POL.

De ce să alegeți sursele de alimentare cu convertor POL c.c./c.c.

Computerele, serverele și alte echipamente digitale utilizează din ce în ce mai mult FPGA, ASIC și alte dispozitive avansate de circuite integrate care necesită mai multe tensiuni de alimentare care nu sunt disponibile de la sursa de alimentare a sistemului. În plus, acestea au nevoie de aceste tensiuni în ordinea corectă, cu latență minimă. În general, sursele de alimentare ale sistemului oferă un număr de tensiuni fixe, cum ar fi 1, 3,3 și 5 volți. Un FPGA tipic necesită tensiuni cuprinse între 1,2 și 2,5 volți (Figura 1).

Figura 1: un FPGA tipic necesită mai multe tensiuni dedicate pentru anumite funcții specifice în cadrul procesorului. Procesorul prezentat utilizează opt intrări de alimentare dedicate care utilizează trei tensiuni diferite. (Sursa imaginii: Art Pini)

La nivel minim, un FPGA necesită surse de alimentare separate pentru secțiunile sale de bază și de I/O. FPGA din exemplu funcționează cu nucleul la 1,2 volți și funcțiile de I/O la 2,5 volți. În plus, are nevoie de alte șase niveluri de putere pentru circuitele sale auxiliare. Este evident că existența a șapte surse de alimentare în imediata apropiere a FPGA-ului reprezintă o povară pentru proiectarea plăcii de circuite imprimate. De asemenea, trebuie luată în considerare și problema disipării căldurii, ceea ce înseamnă că este necesar ca sursele de energie să fie mici și eficiente.

Tehnologia brevetată asigură o integrare unică a sistemului

Pentru a îndeplini cerința privind dimensiunea, TDK a dezvoltat un design brevetat pentru convertoarele POL c.c./c.c. care nu prevede dispunerea în paralel a componentelor discrete. În schimb, aceasta utilizează integrarea 3D bazată pe tehnologia sa, Semiconductor Embedded in SUBstrate (SESUB) cu sistem încapsulat (SiP). Semiconductorii de înaltă performanță care încorporează un controler de modulație a impulsului în lățime (PWM) și MOSFET-uri sunt încorporați în substratul plăcii de 250 micrometri (µm), formând un convertor reductor. Inductorul de ieșire al circuitului și condensatoarele sunt, de asemenea, integrate în configurația 3D, creând un pachet ultra-compact, îmbunătățit termic (Figura 2).

Figura 2: tehnologia brevetată SESUB include un circuit integrat avansat pentru controlerul de putere și MOSFET-uri într-un substrat de 250 mm, împreună cu inductorul de ieșire al circuitului și condensatoarele, pentru a forma un modul convertor c.c./c.c. foarte integrat. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

O soluție unică de alimentare POL

TDK are SESUB la baza gamei sale de module de alimentare c.c./c.c. miniaturale μPOL (pronunțat „micro-POL”). Având denumirile de modele sub forma FS140x-xxxx-xx, familia de produse este disponibilă cu 19 selecții cu niveluri de tensiune de ieșire de 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 și 0,6 volți. Acestea acceptă curenți de sarcină continuă de la 3 la 6 amperi (A), în funcție de model, și sunt oferite într-un pachet care măsoară 3,3 x 3,3 x 1,5 milimetri (mm) (Figura 3).

Figura 3: convertorul μPOL c.c./c.c. are doar 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, dar poate gestiona până la 15 wați. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

Datorită designului său fizic unic, această familie de convertoare c.c./c.c. poate oferi o densitate de putere de până la 1 watt pe mm³, ceea ce permite acestui pachet mic să gestioneze până la 15 wați.

Tensiunile nominale de ieșire sunt setate din fabrică cu o precizie de ±0,5%. Este inclusă și o interfață I²C care permite controlul local al convertorului. Tensiunile de ieșire pot fi ajustate în pași de ±5 milivolți (mV) în jurul tensiunii nominale presetate.

O privire în interiorul unui convertor μPOL FS1406

Schema bloc funcțională a convertorului c.c./c.c. de 1,8 volți FS1406-1800-AL arată că, în ciuda dimensiunilor sale reduse, dispozitivul este dotat cu o mulțime de funcții sofisticate de circuit (Figura 4).

Figura 4: schema bloc funcțională a convertorului c.c./c.c. FS1406-1800-AL, care arată scara de sofisticare a circuitului, inclusiv PWM-ul intern, portul I²C, logica de control și MOSFET-urile de ieșire. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL are o ieșire nominală de 1,8 volți și o capacitate de sarcină continuă de 6 A. Tensiunea de ieșire este programabilă cu I²C, de la 0,6 la 2,5 volți. Acesta necesită o tensiune de intrare de la 4,5 până la 16 volți și are un interval de temperatură de funcționare specificat între -40 °C și +125 °C.

Inima acestui convertor c.c./c.c. este modulatorul PWM brevetat, proiectat pentru a oferi un răspuns rapid și tranzitoriu. Modulatorul PWM funcționează la o frecvență de comutare proporțională cu tensiunea de ieșire a convertorului. Acesta include compensarea internă a stabilității, care se potrivește cu o varietate de tipuri de condensatoare de ieșire fără a fi nevoie de rețele de compensare externe, ceea ce înseamnă că funcționează în sistem „plug-and-play”. Ieșirea PWM a modulatorului acționează circuitul de poartă pentru dispozitivele de putere MOSFET. După cum s-a menționat, inductorul de filtrare a ieșirii este inclus în pachet, minimizând și mai mult componentele externe.

Rețineți că FS1406 include un regulator intern de tensiune LDO (cu cădere redusă) care funcționează la aproximativ 5,2 volți pentru a alimenta circuitele interne și MOSFET-urile.

De asemenea, proiectanții ar trebui să ia în considerare funcțiile de protecție încorporate, care includ protecție la pornirea treptată, o linie de stare pentru „funcționarea corectă a alimentării”, protecție la supratensiune, pornire pre-polarizată, oprire în funcție de temperatură cu recuperare automată și protecție la supracurent compensată termic cu mod „hiccup”. Modul „hiccup” oprește alimentarea cu energie electrică pentru o perioadă de timp fixă dacă se detectează un eveniment de supracurent și repetă secvența până când defecțiunea este eliminată.

Interfața I²C este utilizată pentru a seta tensiunea de ieșire. De asemenea, permite setarea parametrilor de optimizare a sistemului, inclusiv a celor pentru funcțiile de pornire și de protecție.

Aplicație tipică

Familia FS1406 este complet integrată și este ajustată din fabrică la tensiunea țintă specificată, eliminând necesitatea unui divizor de tensiune de ieșire. Proiectarea implică adăugarea unei capacități de ieșire minime pentru a asigura o ondulație de ieșire și o reglare a sarcinii acceptabile. De asemenea, necesită un condensator de intrare pentru a respecta cerințele privind curentul de intrare. Adăugările minime de componente de circuit necesare sunt prezentate în Figura 5.

Figura 5: într-o aplicație tipică, familia de convertoare c.c./c.c. FS1406 μPOL necesită, cel puțin, doar adăugarea condensatoarelor de intrare și de ieșire. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

Condensatoarele de intrare și de ieșire trebuie să aibă o rezistență echivalentă în serie redusă. Se recomandă condensatoare ceramice cu strat multiplu. Fișa tehnică a dispozitivului FS1406 oferă îndrumări detaliate cu privire la calculul valorilor capacitanței de intrare și de ieșire.

Plăcile de evaluare ajută proiectanții să pornească la drum

Placa de evaluare pentru versiunea de 1,8 volți a convertorului μPOL este EV1406-1800A, care oferă un proiect pentru un convertor c.c./c.c. cu o ieșire de 1,8 volți și o sursă de intrare de 12 volți. Aceasta furnizează un curent de ieșire de la 0 la 6 A și măsoară 63 x 84 x 1,5 mm (Figura 6).

Figura 6: placa de evaluare EV1406-1800A măsoară 63 x 84 x 1,5 mm; convertorul μPOL c.c./c.c. este evidențiat în galben, oferind o perspectivă asupra dimensiunilor sale reduse. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

Dimensiunea și capacitatea dispozitivului µPOL de furnizare a energiei fac posibilă încadrarea cu ușurință a mai multor astfel de dispozitive în jurul unui FPGA sau ASIC. Placa de evaluare, pe lângă faptul că oferă un exemplu de proiectare, are locații deschise cu orificii pentru componente, ce permit utilizatorului să experimenteze cu valorile capacităților de intrare și de ieșire. De asemenea, are o regletă pentru selectarea fie a sursei de polarizare interne a FS1406-1800, fie a unei surse de tensiune externe. O altă regletă oferă acces ușor la interfața I²C.

Dongle de programare I²C

Pentru a veni în ajutorul proiectării, TDK oferă placa de programare I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE care este utilizată pentru a varia tensiunea de ieșire în pași de ±5 mV. De asemenea, acesta permite programarea parametrilor de protecție a sistemului. Dongle-ul funcționează cu un pachet software GUI gratuit furnizat de TDK, ceea ce facilitează ajustarea convertorului.

Concluzie

Pentru proiectanții care au nevoie de o alimentare POL fiabilă, de înaltă integritate, cu un impact minim asupra spațiului pe placă, gama mPOL de 19 convertoare c.c./c.c. de la TDK oferă o soluție adecvată pentru o mare varietate de aplicații. Familia acceptă paisprezece niveluri comune de tensiune de ieșire, fiecare dintre acestea fiind reglabil în pași de ±5 mV cu ajutorul unui port I²C. Construcția unică și brevetată a dispozitivului µPOL, bazată pe SESUB, oferă o densitate mare de putere cu componente de suport minime.